CN101557202B - 大功率d类功率放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大功率D类功率放大器，属于基本电子电路技术领域，用于对一音频输入信号加以放大处理，并输出一音频输出信号，包括顺序连接的脉冲宽度调制器、高压功率开关以及低通滤波器，还包括电平移位器，电平移位器的输入端与高压功率开关的输出端连接，电平移位器的输出端与脉冲宽度调制器的输入端连接，用于控制反馈到脉冲宽度调制器的输入端的PWM波形的幅度，从而提高了D类功率放大器的稳定性，使该D类放大器适用于使用高电压源、输出大功率的场合。
Description
技术领域
本发明涉及基本电子电路技术领域，特别涉及一种带反馈回路的大功率D类功率放大器。
背景技术
AB类功率放大器和D类功率放大器是目前音频功率放大器的基本电路形式，其中D类功率放大器的效率比AB类功率放大器的效率高二到五倍，因此，在大功率应用中，为了降低内部消耗，广泛采用D类功率放大器。
D类功率放大器可将音频信号转换成高频脉冲，按照音频输入信号切换输出。某些D类放大器使用脉冲宽度调制器(PWM)来产生连续脉冲，该脉冲宽度按照音频信号幅度而变化。宽度变化的脉冲以固定频率来切换输出功率晶体管，其它D类功率放大器可依靠其它类型的脉冲调制器。D类功率放大器主要应用在音频功率放大领域，该功率放大器的结构可分为开环结构和闭环结构，由于闭环结构具有诸多优点，例如能提高放大器的SNR(Signal to NoiseRatio，信噪比)，以及得到较低的总谐波失真(THD)，因此在D类功率功率放大器中经常使用该闭环结构。
由于闭环结构使用了反馈环路，容易引起环路的不稳定，因此在设计时考虑最多的因素就是环路的稳定性。特别是对于大功率的D类功率放大器，由于常在功率开关级使用高电源电压来提高输出的动态范围，并直接将功率开关的输出PWM波形反馈回去与输入进行叠加，对于不同的电源电压，功率开关的输出PWM波形的幅度不同，导致在电源电压高的场合，由于输出动态范围过大，反馈到输入端与输入的音频信号进行叠加后，容易导致放大器环路的不稳定。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种大功率D类功率放大器，通过控制反馈到脉冲宽度调制器的输入端的PWM波形的幅度，可提高D类功率放大器的稳定性。
为了达到上述目的，本发明提供一种大功率D类功率放大器，用于对一音频输入信号加以放大处理，并输出一音频输出信号，包括顺序连接的脉冲宽度调制器、高压功率开关以及低通滤波器，还包括：
电平移位器，所述电平移位器的输入端与所述高压功率开关的输出端连接，所述电平移位器的输出端与所述脉冲宽度调制器的输入端连接，用于控制反馈到所述脉冲宽度调制器的输入端的PWM波形的幅度，所述电平移位器包括：晶体管MP1、晶体管MP2、晶体管MP3、晶体管MP4、晶体管MP5、晶体管MN1、晶体管MN2、以及晶体管MN3，
所述晶体管MP5的源极接所述第二电压源Vdd；
所述晶体管MN3的源极接参考地电位；
所述晶体管MP5的漏极接所述晶体管MN3的漏极，输入信号接所述晶体管MP5和所述晶体管MN3的栅极；
所述晶体管MP4和所述晶体管MN2的栅极接所述晶体管MP5和晶体管MN3的漏极；
所述晶体管MP1和所述晶体管MP2的源极接第一电压源AVdd；
所述晶体管MP1的栅极接所述晶体管MP4和所述晶体管MN2的漏极；所述晶体管MP2的栅极接所述晶体管MP3和所述晶体管MN1的漏极；所述晶体管MP1的漏极接所述晶体管MP3的源极；所述晶体管MP2的漏极接所述晶体管MP4的源极；所述晶体管MP3的漏极与所述晶体管MN1的漏极相连，所述晶体管MP4和所述晶体管MN2的漏极相连；
所述晶体管MP3和所述晶体管MN1的栅极连接在一起接输入信号；
所述晶体管MN1和所述晶体管MN2的源极接参考地电位，所述晶体管MP1、所述晶体管MP2、所述晶体管MP3、所述晶体管MP4的衬底接所述第一电压源AVdd，所述晶体管MP5的衬底接所述第二电压源Vdd，所述晶体管MN1、所述晶体管MN2、所述晶体管MN3的衬底接参考地电位。
优选地，该大功率D类功率放大器，还包括：
第一电压源AVdd，用于给所述脉冲宽度调制器提供电力；
第二电压源Vdd，用于给所述高压功率开关提供电力；
所述第一电压源AVdd的电压设置在3.3伏至5伏之间，所述第二电压源Vdd的电压设置在8伏至30伏之间。
优选地，大功率D类功率放大器，还包括设置在反馈回路上的反馈网络，用于将从所述高压功率开关的输出端输出的PWM波形反送到所述脉冲宽度调制器的输入端进行叠加。
优选地，大功率D类功率放大器，还包括与所述脉冲宽度调制器连接的参考波产生器，用于给所述脉冲宽度调制器提供三角参考波。
优选地，所述晶体管MP1、所述晶体管MP2、所述晶体管MP3、所述晶体管MP4、所述晶体管MP5为PMOS晶体管；
所述晶体管MN1、所述晶体管MN2、所述晶体管MN3为NMOS晶体管。
优选地，所述低通滤波器包括：电感和电容器，所述电感的一端接信号输入端，所述电感的另一端接信号输出端，所述电容器的一端接地，所述电容器的另一端接信号输出端。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：通过在D类功率放大器的反馈回路上设置电平移位器，能够有效控制反馈到脉冲宽度调制器的输入端的PWM波形的幅度，能有效地提高D类功率放大器的稳定性，使该D类放大器可适用于使用高电压源、输出大功率的场合。
附图说明
图1为本发明的D类功率放大器的结构框图；
图2为本发明的D类功率放大器全桥输出结构图；
图3为本发明的电平移位器的具体电路结构图；
图4为本发明的电平移位器的功能图；
图5为本发明的低通滤波器的电路图。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种大功率D类功率放大器，通过在该D类功率放大器的反馈回路中设置一电平移位器(Level Shift)，即该电平移位器的输入端与高压功率开关的输出端连接，电平移位器的输出端与脉冲宽度调制器的输入端连接，通过该电平移位器来控制反馈到脉冲宽度调制器的输入端的PWM波形的幅度，使反馈信号不受高压功率开关上的电压源的电压影响。
为了方便解释，以下主要讨论参考脉冲宽度调制，但所属技术领域的技术人员将了解到D类功率放大器可配置其它类型的调制器。同时为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和实施方式对本发明的实施例作进一步的详细说明。
参阅图1，为本发明的D类功率放大器的结构框图。该D类功率放大器用于对音频输入信号加以放大处理，并输出音频输出信号。D类功率放大器包括顺序连接的脉冲宽度调制器101、高压功率开关102、低通滤波器103、以及在高压功率开关102的输出端和脉冲宽度调制器101的输入端之间连接的电平移位器104，也就是在D类功率放大器的反馈回路上设置一电平移位器104，通过该电平移位器104来控制反馈到脉冲宽度调制器的输入端的音频信号的波形幅度。该D类功率放大器还包括与脉冲宽度调制器101连接的参考波产生器106，用于给脉冲宽度调制器101提供三角参考波。
上述的脉冲宽度调制器101用于将音频输入信号的振幅变化变换成脉冲宽度的变化，并得到脉冲宽度调制信号，可通过第一电压源AVdd为脉冲宽度调制器101提供电力，该第一电压源AVdd为一低压电压源，该电压值可设置在3.3伏至5伏之间，当然也可选择其他范围的电压值。在该脉冲宽度调制信号经高压功率开关102进行功率放大处理后输出到低通滤波器103，通过该低通滤波器103驱动负载阻抗，该负载阻抗可选用扬声器。
为了能够扩大高压功率开关102的动态输出范围，可采用较高的电压源来驱动该高压功率开关102，在本实施例中，可选用第二电压源Vdd为该高压功率开关提供电力，该第二电压源Vdd的电压值可设置在8伏至30伏之间，当然也可选用其他范围的电压值。此时为了保证D类功率放大器环路的稳定性，需要有效地控制反馈到脉冲宽度调制器101的输入端的PWM波形的幅度，也就是可通过该电平移位器104把高电源电压的电平转换成低电压电平输出，然后可通过反馈网络105将输出信号反送到输入端进行叠加。
上述第一电压源AVdd可以由第二电压源Vdd产生，也就是只设置一个电压源；或者也可通过一独立的低压电源来实现，也就是需要设置两个电压源。当采用由第二电压源Vdd来生成第一电压源AVdd时，可通过线性调整器来实现一个电压源来提供两种不同的电压。
图2为本发明中D类功率放大器全桥输出结构图，由图中可知，包括两个半桥输出级，其中一个半桥输出级包括顺序连接的脉冲宽度调制器101、高压功率开关102、低通滤波器103，其中脉冲宽度调制器101包括前置放大器、积分器和PWM比较器，前置放大器的输出信号与反馈信号输入到积分器中，，通过积分器对该信号进行求和，再将求和后的信号与参考波进行比较，产生脉冲宽度调制波形。高压功率开关102包括驱动电路、MOS器件MN21、MOS器件MN22、，其中驱动电路的输入端接收脉冲宽度调制波，MOS器件MN21源极接第二电压源Vdd，MOS器件MN22的源极接参考地电位，驱动电路使用第二电压源Vdd，MOS器件MN21和MOS器件MN22的栅极与驱动电路的输出端连接，而MOS器件MN21和MOS器件MN22的漏极与低通滤波器连接，上面只描述了全桥输出结构中的半桥输出级，而另一半桥输出级可参见上面的描述。
在本实施例中该反馈网络105可选用反馈电阻R31，该反馈电阻R31连接在电平移位器104的输出端OUTP_FIN与积分器的输入端之间。
参见图3，为本发明中电平移位器的电路原理图，该电平移位器104包括晶体管MP1、晶体管MP2、晶体管MP3、晶体管MP4、晶体管MP5、晶体管MN1、晶体管MN2、以及晶体管MN3。其中晶体管MP1、晶体管MP2、晶体管MP3、晶体管MP4、晶体管MP5可选用PMOS晶体管，晶体管MN1、晶体管MN2、晶体管MN3可选用NMOS晶体管。晶体管MP5的源极接第二电压源Vdd，晶体管MN3的源极接参考地电位，晶体管MP5的漏极接晶体管MN3的漏极，输入信号接晶体管MP5和晶体管MN3的栅极，此时晶体管MP5和晶体管MN3构成反相器。
反相器的输出接晶体管MP4和晶体管MN2的栅极，晶体管MP1和晶体管MP2的源极接第一电压源AVdd，晶体管MP1的栅极接晶体管MP4和晶体管MN2的漏极，晶体管MP2的栅极接晶体管MP3和晶体管MN1的漏极，晶体管MP1的漏极接晶体管MP3的源极，晶体管MP2的漏极接晶体管MP4的源极，晶体管MP3的漏极与晶体管MN1的漏极相连，晶体管MP4和晶体管MN2的漏极相连。晶体管MP3和晶体管MN1的栅极连接在一起接输入信号，晶体管MN1和晶体管MN2的源极接参考地电位，其中晶体管MP1、晶体管MP2、晶体管MP3、晶体管MP4的衬底接第一电压源AVdd，晶体管MP5的衬底接第二电压源Vdd，晶体管MN1、晶体管MN2、晶体管MN3的衬底接参考地电位。
图4所示的电平移位器的功能图，OUTP输入幅度为0到Vdd的方波，经过电平移位器104的处理后，OUTP_FIN输出得到0到AVdd的方波。图5为低通滤波器的电路图，该低通滤波器103包括电感52和电容器51，电感52一端接信号输入端，另一端接信号输出端，而该电容器51一端接地，另一端接信号输出端。
本实施提供的D类功率放大器的结构，不需要额外复杂的控制电路来保证环路的稳定性，只需要在功率开关的输出和反馈电阻之间连接电平移位器就可获得良好的性能。这将减少电路的尺寸和成本并使电路易于实现。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种大功率D类功率放大器，用于对一音频输入信号加以放大处理，并输出一音频输出信号，包括顺序连接的脉冲宽度调制器、高压功率开关以及低通滤波器，其特征在于，还包括：
电平移位器，所述电平移位器的输入端与所述高压功率开关的输出端连接，所述电平移位器的输出端与所述脉冲宽度调制器的输入端连接，用于控制反馈到所述脉冲宽度调制器的输入端的PWM波形的幅度，所述电平移位器包括：晶体管MP1、晶体管MP2、晶体管MP3、晶体管MP4、晶体管MP5、晶体管MN1、晶体管MN2、以及晶体管MN3，其中
所述晶体管MP5的源极接第二电压源Vdd；
所述晶体管MN3的源极接参考地电位；
所述晶体管MP5的漏极接所述晶体管MN3的漏极，输入信号接所述晶体管MP5和所述晶体管MN3的栅极；
所述晶体管MP4和所述晶体管MN2的栅极接所述晶体管MP5和晶体管MN3的漏极；
所述晶体管MP1和所述晶体管MP2的源极接第一电压源AVdd；
所述晶体管MP1的栅极接所述晶体管MP4和所述晶体管MN2的漏极；所述晶体管MP2的栅极接所述晶体管MP3和所述晶体管MN1的漏极；所述晶体管MP1的漏极接所述晶体管MP3的源极；所述晶体管MP2的漏极接所述晶体管MP4的源极；所述晶体管MP3的漏极与所述晶体管MN1的漏极相连，所述晶体管MP4和所述晶体管MN2的漏极相连；
所述晶体管MP3和所述晶体管MN1的栅极连接在一起接输入信号；
所述晶体管MN1和所述晶体管MN2的源极接参考地电位，所述晶体管MP1、所述晶体管MP2、所述晶体管MP3、所述晶体管MP4的衬底接所述第一电压源AVdd，所述晶体管MP5的衬底接所述第二电压源Vdd，所述晶体管MN1、所述晶体管MN2、所述晶体管MN3的衬底接参考地电位。
2.根据权利要求1所述的大功率D类功率放大器，其特征在于，还包括：
第一电压源AVdd，用于给所述脉冲宽度调制器提供电力；
第二电压源Vdd，用于给所述高压功率开关提供电力；
所述第一电压源AVdd的电压设置在3.3伏至5伏之间，所述第二电压源Vdd的电压设置在8伏至30伏之间。
3.根据权利要求1所述的大功率D类功率放大器，其特征在于，还包括设置在反馈回路上的反馈网络，用于将从所述高压功率开关的输出端输出的PWM波形反馈到所述脉冲宽度调制器的输入端进行叠加。
4.根据权利要求1所述的大功率D类功率放大器，其特征在于，还包括与所述脉冲宽度调制器连接的参考波产生器，用于给所述脉冲宽度调制器提供三角参考波。
5.根据权利要求1所述的大功率D类放大器，其特征在于，所述晶体管MP1、晶体管MP2、晶体管MP3、晶体管MP4、以及晶体管MP5为PMOS晶体管，
所述晶体管MN1、晶体管MN2、晶体管MN3为NMOS晶体管。
6.根据权利要求1所述的大功率D类放大器，其特征在于，所述低通滤波器包括：电感和电容器，所述电感的一端接信号输入端，所述电感的另一端接信号输出端，所述电容器的一端接地，所述电容器的另一端接信号输出端。
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